許建華
(同濟大學環境科學與工程學院，上海200092)

　　摘　要：許多城市的飲用水水源受到污染，采用彈性立體填料的生物接觸氧化預處理技術是一種經濟高效、穩定運行、便于管理的去除原水中污染物質的預處理工藝、在由生物預處理和常規水處理工藝組成的生物預處理掙水系統中，我們應充分利用生物預處理池出水中的生物硝化延伸效應去提高沉淀池和濾池的除氨氮效果。
　　關鍵詞：飲用水處理,生物接觸氧化,除污染

0ptimal Composite Treatment Techniques for Removal Polluters in Drinking Water
　　Xu Jin-hua
(School if Envi.Science and Eng. Tongji Univesity, Shanghai,200092)

　　Abstract：Drinking water resource of many cities has been po]luted.The bio-contact oxidation pretreatment technigue using elestic packing is an economical，high-efficient pretreatment process to remove polluter in raw water with stable—running and easy management.In the biological pretreatment’water cleaning system composed Of biological pretreatment and conventional treatment processes，we must full use of continued bio-nitrify fuction from the effluent of bio-pretreatment basin to raise the NH₄⁺-N removing efficiency in sedimentation basin and filter.
　　Keywords：drinking water treatment；bio-contact oxidation；pollutant removal

1 研究經濟有效的飲用水除污染技術是給水工作者的重要職責

　　當今世界上許多城市的給水水源受到生活污水和工農業生產廢水的顯著污染，大部分自來水廠采用的混凝、沉淀、過濾和加氯消毒常規凈水工藝很難將受污染的原水凈化處理成符合飲用水水質標準的生活飲用水。在努力控制和防治水體污染的同時，給水工作者應結合各地水源的具體污染情況和水質特點，認真研究經濟有效、且切實可行的飲用水除污染技術，供應人們安全、衛生、口感好的生活飲用水。
　　微污染水源水中的污染物，通常主要是有機污染物，其中大部分是較容易被微生物降解和利用的有機物，也有少量難以生物降解的天然或人工合成的有機化臺物（如腐殖質、苯酚和有機氯農藥等）。微污染水源水中的有機物種類繁多，成分復雜，日常條件下不便、也無必要一一具體檢測。日常用便于檢測的高錳酸鹽數(C0D_Mn)作為衡量水中有機物相對含量的綜合性指標來表示飲用水受有機污染的相對程度。
　　許多受污染的水源中的C0D_Mn常達5～7mg／L以上，而中國衛生部2001年6月批準，并于2001年9月1口開始實施的“生活飲用水衛生規范”中限定生活飲用水的耗氧量不超過3mg/L，對處理受污染水源水的常規凈水工藝水廠是難以將飲用水的C0D_Mn處理達標的。微污染原水中的氨氮常達3～5mg／L以上，超過中國國家環境保護總局1999年7月發布，并于2000年1月1日開始實施的“地表水環境質量標準(GHZBl—1999)”中對作為集中式生活飲用水水源地保護區的水中氨氮應不超過0.5mg／L標準值的許多倍，常規凈水工藝的水廠很難將微污染源水的氨氮處理到0.5mg／L以下。
　　對于微污染原水的處理常規凈水工藝的水廠，一般均用對原水預加較高劑量的氯氣來氧化水中的有機和無機污染物，以利澄清飲用水的水質。但所加的高劑量氯氣易與原水中的腐殖質、藻類等鹵代烴類前體物反應生成三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)等有致突變作用的消毒副產物(DBPs)，對出廠水的飲用安全性構成一定的潛在威脅。因此，自來水廠在凈水過程中有效去除原水中各種污染物的同時，還必須注意控制飲用水中氯化消毒副產物的生成，確保出廠水的飲用安全。
　　近20多年來，中國給水工作者對各地的許多受污染水源水的除污染技術作了大量的理論聯系實際的試驗研究，在生物預處理、物化預處理、強化常規處理和深度處理等方面取得許多理論和實踐成果，其中不少己被水廠推廣應用，經濟有效地顯著提高了生活飲用水的水質。

2 微污染原水的生物預處理技術

　　微污染原水中的有機基質、氨氮和亞硝酸氮等濃度，相對于污水中的相應物質濃度來說都是很低的。用生物預處理方法來處理微污染原水，一般均用生物膜法培養以亞硝酸化細菌(nitritebacteria)和硝酸化細菌(nitrobacteria)等貧營養性微生物為主的生物處理技術。在曝氣充氧條件下，微污染原水中的低濃度可生物降解有機基質被生物膜中的好氧微生物降解并吸收利用，獲得能量，合成新的細胞物質。各種生物預處理工藝常選用不同的惰性介質(如石英砂、陶粒、粒狀活性炭、塑料蜂窩管填料和彈性立體填料等)作為生物載體，在水中溶解氧充分的條件下，水中氨氮在亞硝酸化細菌和硝酸化細菌作用下被硝化成亞硝酸鹽和硝酸鹽：

　　與此同時，生化反應器中的填料表面生物膜上也有一些異養型微生物氧化分解水中的有機基質，使水的有機物綜合指標COD_Mn、TOC和UV₂₅₄降低：

　　中國給水工作者近20多年來，對微污染原水的生物預處理技術進行了生物濾池、生物轉盤、生物流化床和生物接觸氧化法等工藝的不同填料、不同布氣方式和池型構造等試驗研究。值得一提的是：1991年秋，我們專程邀請了發明生物接觸氧化水處理技術的日本著名學者小島貞男博士來同濟大學講學，給了我們很多指導、幫助和啟發，我們非常尊敬和感謝德高望重的小島先生對中國給
水生物除污染技術發展作出的可貴支持和幫助。
　　由于彈性立體填料為生物載體的生物接觸氧化池具有經濟高效、不會堵塞、管理方便和運行穩定等顯著優點，近5年已在多處水廠或工程中推廣應用，取得了良好的除污染效果，明顯提高了水廠出廠水的水質。1998年6月，同濟大學和浙江省寧波市自來水總公司合作，在寧波市梅林水廠建成了第一座彈性立體填料的生物接觸氧化預處理池，設計水量規模為Q：40，000n3／d，成功地顯著
去除受污染的姚江原水的氨氮、C0D_Mn等污染物。在氣水比為0.5-0.7：1、池水停留時間為1.4-2.0h的條件下，經過運行1年多的生化池進、出水水質檢測結果統計整理，常溫情況下一般能去除原水中氨氮70～90％，去除亞硝酸氮60～80％，去除C0D_Mn20～30%，去除TOC20％左右^[1]。冬季水溫低于10℃時，生化池除污染效果明顯下降，若減少水量負荷，延長生化池有效水力仃留時間，可提高生化池的除污染效果。
　　彈性立體填料是由許多根富有彈性的、直徑0.5mm左右的聚烯烴類塑料短絲串接在中心繩上而成的條狀填料，各條填料單元的上下兩端分別平行地垂直固定在生化池中的吊索或吊桿上。各填料單元在平面圖上通常呈梅花型組裝布置，如圖1所示。彈性填料下方設曝氣管系統和排泥系統，生化池布置示意圖見圖2。

　　彈性立體填料的主要特點：(1)比表面積較大，全部填料表面都容易附著生長生物量較大的生物膜；(2)各填料單元松散狀布置，既適應原水通過，發揮掛膜硝化除污染作用，不會被原水中的懸浮雜質堵塞，又便于及時脫落老化的生物膜，保持填料表面的生物活性；(3)填料絲條長期浸泡在池水中，始終保持彈性和幅射狀張展，經久耐用，對填料下方的曝氣上升氣泡有良好的切割分散作用，有助于布氣配水均勻和提高氧的利用率；(4)彈性立體填料每1m³空間布置的填料單價約人民幣130～140元／m³，僅是φ35管徑的塑料蜂窩管填料每1m³單價的1／3左右，可顯著節約生物接觸氧化池的基建投資；(5)彈性立體填料生化池中的填料過水部分水流阻力小，可節約日常運行電費。彈性立體填料生化池技術在浙江省嘉興市、上海市和廣東省深圳市等地的多處水廠或工程中推廣使用，也取得了經濟高效且便于管理的良好除污染效果。

3 生物接觸氧化預處理對后續掙水工藝的影響

　　生物接觸氧化預處理顯著降低原水中的氨氮、亞硝酸氮及部分降低水中的COD_Mn、TOC后，還應研究其與后續工藝的系統優化組合除污染問題。由于生化池出水中仍存在硝化細菌等微生物，若對生物池出水預加氯，可能殺死部分微生物或抑制后續混凝沉淀池和濾池砂粒間微生物的生命代謝活動，影響后續掙水工藝的生化除污染效果。因此生化預處理后應取消預加氯，使生化除污染效應在沉淀、過濾工藝中能繼續起作用，同時也可防止預氯化使水中增加THMs和HAAs類消毒副產物。同濟大學和上海市浦東新區自來水總公司合作，于1999年3月至2000年9月在川沙城鎮水廠進行了川楊河受污染水源水的彈性立體填料生物接觸氧化預處理+常規凈水工藝+生物活性炭深度處理等。不同組合的原水Q＝１m³／hr的中試試驗，并與該水廠的常規凈水工藝生產流程及張江水廠的彈性立體填料生物接觸氧化池+常規掙水工藝生產流程的處理效果作適當對照研究。
　　中試的試驗工藝流程圖[2]見圖3。

　　中試試驗期間，為了具體研究生化池出水預加氯可能對后續常規凈水工藝硝化除氨氮效果的影響程度，1999年9月25日～11月1日在生化池出水處預加氯2～4mg/L，與其前5月5日～6月10日期間無預加氯上況作了各工藝除氨氮效果的對比研究，具體數據整理列于表1中。

表1 生化池出水有無預加氯對后續常規工藝除氨氨氮效果的影響 工藝出水 1999年5月5日-6月10日 1999年9月25-11月1日 平均水溫：21.4℃ 平均水溫：22.6℃ NH₄⁺-N（mg/L)(無預加氯） NH₄⁺-N（mg/L)(預加氯2-4mg/L） 范圍（mg/L) 去除率（%） 范圍（mg/L) 去除率（%） 原水 0.85-5.30 / 1.10-5.70 / 生化池 0.21-1.24 75.29-76.6 0.22-1.72 69.82-80.00 沉淀池 0.13-0.82 33.87-38.10 0.16-1.38 1977-27.27 砂濾池 0.02-0.36 56.10-54.62 0.10-1.14 17.39-37.50

　　從表1有關數據可得：生化池出水在無預加氯的情況下，經沉淀池和砂濾池后續處理后氨氮總去除率比生化池出水預加氯2～4mg/L情況下的后續沉淀池和砂濾池的氨氮總去除率要高35％以上。其中無預加氯的砂濾池生物硝化作用除氨氮效果非常突出，可見生化出水對后續凈水工藝的生物硝化延伸效應必須重視利用，生化池出水不應再預加氯。
　　經對上述中試階段生化池出水無預加氯和預加氯二種工藝試驗對后續常規工藝出水的除COD_Mn效果的檢測結果對照，預加氯的沉淀池一砂濾池對COD_Mn的平均總去除率為31.0％，略高于無預加氯的沉淀池一砂濾池的COD_Mn平均總去除率30.2％。
　　建于某城市供水水庫庫尾的彈性立體填料生物處理工程，建成投產后經2年的連續水質監測記錄統計整理結果顯示，該工程出水氨氮值平均比進水氨氮值降低60％以上。而同期由于該水庫庫水的生物硝化自凈作用的延伸效應，到水庫另一端水廠取水口的氨氮平均值，比該生物硝化工程進水端氨氮平均值降低達80％以上。與生物處理工程建成前該水庫因水質污染而自凈能力逐漸下降情況相比，生物處理工程建成投產后，明顯提高了該水庫對水中氨氮的自凈率，這再次佐證了生物硝化延伸效應不容忽視的明顯作用。
　　 整個中試工藝流程在水溫較高階段(平均水溫28.5℃)和水溫較低階段(平均水溫8.5℃)，生化池出水無預加氯情況下的各單元工藝的氨氮去除效果見表2和表3。

表2 較高水溫時原水與中試各單位工藝出水的氨氮及平均去除率[2] 取水樣點 NH₄⁺-N（mg/L) NH₄⁺-N平均累計去除率（%） 范圍 平均值 原水 0.80-6.51 2.84 　 生化池出水 0.30-2.23 1.00 64.79 沉淀池出水 0.15-1.49 0.785 73.59 砂濾池出水 0.05-0.49 0.15 94.72 臭氧化生物活性炭出水 0.02-0.05 0.025 99.12 生物活性炭出水 0.02-0.05 0.025 99.12

　　 注：1999的8月10---8月30日　　 平均水溫28.5℃

表3 較低水溫時原水與中試各單位工藝出水的氨氮及平均去除率[2] 取水樣點 NH₄⁺-N（mg/L) NH₄⁺-N平均累計去除率（%） 范圍 平均值 原水 0.50-5.58 2.25 　 生化池出水 0.28-3.75 1.50 33.33 沉淀池出水 0.25-3.25 1.23 45.33 砂濾池出水 0.12-2.50 0.75 66.67 臭氧化生物活性炭出水 0.05-1.35 0.23 85.33 生物活性炭出水 0.02-1.42 0.24 84.88

　　 注：2000年2月15日——2月25日 平均水溫8.5℃

　　從表2和表3的數據可知：
　　(1)平均水溫8.5℃的低溫時段，生化池NH4+—N平均去除率只有33.33％，僅相當于平均水溫28.5℃的高溫時段生化池NH₄⁺-N平均去除率64.79％的一半多些，水溫影響顯著。低水溫時，生化池的后續各凈水工藝的NH₄⁺-N平均去除率也相應明顯下降。
　　(2)較高水溫時或較低水溫時，川楊河微污染原水凈水流程中，臭氧化生物活性炭工藝出水與生物活性炭工藝出水的Ntt4’一N去除率基本相同。該水源水經生化預處理十常規凈水工藝處理后的深度處理工藝，宜采用不加臭氧的生物活性炭工藝，可節約基建投資和日常運行費用。
　　中試工藝流程各單元在乎均水溫為27.5℃時對COD_Mn的去除效果見表4。

表4 平均水溫為27.5 時，原水與中試各單位出水的COD_Mn及平均去除率 取水樣點 COD_Mn（mg/L) COD_Mn平均累計去除率（%） 范圍 平均值 原水 5.60-7.20 6.72 生化池出水 5.12-6.50 6.01 10.57 沉淀池出水 3.51-5.16 4.25 36.76 砂濾池出水 2.88-4.95 3.85 42.71 臭氧接觸塔出水 2.75-4.62 3.38 49.70 臭氧化生物活性炭出水 1.60-3.25 2.55 62.05 生物活性炭出水 1.84-3.88 2.86 57.44

　　 注：1999年6月25--7月25日平均水溫27.5℃

　　從表4可知：
　　(1)生化池的COD_Mn平均去除率雖然只有10.57％，但由于生化的延伸效應及混凝沉淀和砂濾工藝的物理化學凈水效果，至砂濾池出水的COD_Mn平均累計去除率已達42.71％，大大減輕后續生物活性炭池的有機負荷。
　　(2)臭氧化生物活性炭工藝出水的COD_Mn平均值為2.55mg/L，低于不加臭氧的生物活性炭工藝出水的COD_Mn平均值2.86mg/L，該2種深度處理工藝的出水COD_Mn平均值都已達到COD_Mn<3.Omg/L的生活飲用水衛生規范的要求。
　　由于各地受污染水源的污染源、污染物性質和組成、污染程度等各不相同，因此將受污染水源水處理成符合生活飲用水水質標準的除污染優化組合工藝流程，也不可能有統一模式。應結合當地水源水質具體情況，根據眾多物理、化學和生物方法的各個單元凈水工藝的除污染功能特點，研究選用經濟合理、切實可行的優合組合凈水工藝流程。

參考文獻：

　　[1] 同濟大學“九五”國家科技攻關計劃子專題“受污染水彈性填料微孔曝氣生物接觸氧化預處理生產性研究成果報告”，1997.9。
　　[2) 同濟大學博士研究生張東博士學位論文：“較高濁度受污染水源水的生物接觸氧化預處理與其對后續凈水工藝的影響研究”，2000.11

作者簡介：

　　許建華(1934-- )，男，漢族，浙江黃巖人，同濟大學教授，主要研究方向；飲用水除污染技術，自來水廠排泥水處理技術。